通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)有效性評估的建模

李思佳,毛玉泉,2,李 波,2,趙 琪

（1.空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院,西安710077;2.空軍工程大學(xué) 空天信息工程研究中心,西安 710051）

通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)有效性評估的建模

李思佳1,毛玉泉1,2,李 波1,2,趙 琪1

（1.空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院,西安710077;2.空軍工程大學(xué) 空天信息工程研究中心,西安 710051）

根據(jù)現(xiàn)階段綜合信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求,考慮到通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)的抗干擾能力強和保密性能高等特征,結(jié)合NFE即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）、模糊推理（FR）、專家系統(tǒng)（ES）模型和層次分析法（AHP）,提出了通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)有效性研究的NFE-AHP模型,并仿真驗證了NFE-AHP模型對于通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)有效性評估的適用性,結(jié)果表明抗干擾度、魯棒性、兼容能力對通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)有效性評估尤為重要,對于通用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)有效性評估的工程實踐具有一定的指導(dǎo)意義。

通用數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò);層次分析;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);模糊推理;專家系統(tǒng)

1 引 言

現(xiàn)階段以全球信息柵格（Global Information Grid,GIG）為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)（Network Centric Warfare,NCW）是新形勢條件下戰(zhàn)場信息資源共享的基礎(chǔ)平臺[1],而作為GIG[2]的關(guān)鍵部分,綜合網(wǎng)絡(luò)及其信息資源共享與融合,由于各國軍事戰(zhàn)略和科研技術(shù)的需要,成為了現(xiàn)階段的研究重點。新通信技術(shù)——多輸入多輸出（Multip le-input Multiple-output,MIMO）技術(shù)、正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexed,OFDM）技術(shù)、Turbo編碼技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(shù)等的出現(xiàn),為無線通信組網(wǎng)的軍事應(yīng)用提供了技術(shù)支撐,通用數(shù)據(jù)鏈（Common Data Link,CDL）由于其高抗干擾、強抗打擊能力,為綜合網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[3],然而CDL組網(wǎng)性能的有效性研究卻因為指標(biāo)選取的合理性和適用性等問題成為目前亟待思考的問題。

CDL組網(wǎng)有效性指標(biāo)體系的選取,通常是通過調(diào)研、面談等方法解決,其綜合考慮程度不夠。為此,文獻(xiàn)[4]通過建立模糊層次模型完成信息系統(tǒng)的指標(biāo)適用性研究,完成了有效性指標(biāo)體系的初探;文獻(xiàn)[5]在測試的基礎(chǔ)上完成了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈效能評估方法研究。本文根據(jù)AHP方法和NFE模型,從信息融合角度[6],結(jié)合信息資源共享的前提,構(gòu)建了CDL組網(wǎng)有效性評估的NFE-AHP模型,分析了CDL組網(wǎng)性能有效性建模的基本步驟,結(jié)合案例驗證了NFE-AHP模型的合理性和適用性。

2 CDL組網(wǎng)的指標(biāo)體系

CDL組網(wǎng)主要包含天基CDL組網(wǎng)（b1）、臨近空間的CDL組網(wǎng)（b2）、航空CDL組網(wǎng)（b3）和地基CDL組網(wǎng)（b4）。

使用NFE-AHP模型,對CDL組網(wǎng)性能的有效性進(jìn)行研究,其關(guān)鍵在于指標(biāo)體系的建立,結(jié)合美軍CDL的技術(shù)參數(shù)[3]和文獻(xiàn)[7,8],構(gòu)建出CDL組網(wǎng)有效性的指標(biāo)體系:抗干擾度C1、魯棒性C2、抗打擊度C3、傳輸速率C4、網(wǎng)絡(luò)帶寬C5、網(wǎng)絡(luò)時延C6、兼容能力C7、資源共享度C8、網(wǎng)絡(luò)安全度C9、鏈路利用率C10、作戰(zhàn)平臺度C11、網(wǎng)絡(luò)吞吐量C12、GIG融合度C13、節(jié)點交換度C14、網(wǎng)絡(luò)互連量C15、工作頻段數(shù)C16。

3 CDL組網(wǎng)有效性的NFE-AHP模型

3.1 組網(wǎng)有效性的AHP模型

根據(jù)多目標(biāo)決策的層次分析法,構(gòu)建出CDL組網(wǎng)性能的有效性的AHP模型,其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,目標(biāo)層為CDL組網(wǎng)性能的有效性;準(zhǔn)則層包括了天基CDL組網(wǎng)有效性、臨近空間的CDL組網(wǎng)有效性、航空CDL組網(wǎng)有效性和地基CDL組網(wǎng)有效性共4個分項;有效性指標(biāo)層為CDL組網(wǎng)性能有效性的16個指標(biāo)。

圖1 CDL組網(wǎng)有效性的AHP模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CDL networking effectiveness of AHP model structure

3.2 NFE-AHP模型的結(jié)構(gòu)

CDL組網(wǎng)性能的有效性研究是一項復(fù)雜問題,因此從信息融合的角度來進(jìn)行其有效性的分析是合理的。

CDL組網(wǎng)性能有效性的NFE-AHP模型結(jié)構(gòu)如圖2所示,該模型在AHP基礎(chǔ)上,將AHP的結(jié)果作為輸入指標(biāo)層,具體包括經(jīng)AHP后的輸入指標(biāo)層、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、修正層、模糊化層、歸一化層及輸出層,最終得出CDL組網(wǎng)性能有效性的置信度估計。

圖2 NFE-AHP模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 NFE AHP model structure

NFE-AHP建模的步驟為:

（1）建立CDL組網(wǎng)性能有效性輸入指標(biāo)層的指標(biāo)體系;（2）基于AHP中的專家知識確定關(guān)于準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重;（3）確定相對目標(biāo)層的準(zhǔn)則權(quán)重;（4）計算出目標(biāo)層下指標(biāo)體系的指標(biāo)權(quán)重,經(jīng)決策因子處理得到指標(biāo)權(quán)重決策系數(shù),即作為經(jīng)AHP后的輸入指標(biāo)層;（5）通過專家系統(tǒng)完成指標(biāo)的修正;（6）根據(jù)輸入指標(biāo)的訓(xùn)練數(shù)據(jù),使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成指標(biāo)的學(xué)習(xí);（7）歸一化處理完成指標(biāo)權(quán)重分配;（8）用置信度估計模型對CDL組網(wǎng)性能有效性進(jìn)行評價。

4 NFE-AHP模型的理論分析

（1）為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行CDL組網(wǎng)有效性建模,將其指標(biāo)體系C1,C2,…,C16分為檢測評價指標(biāo)和非檢測評價指標(biāo),如表1所示。其中檢測評價指標(biāo)的性能分級見表2,N名專家進(jìn)行有效性評估。

表1 指標(biāo)體系分類表Table 1 Index system classification

表2 檢測評價指標(biāo)的性能分級表Table 2 Test evaluation index performance classification table

定義一:檢測評價指標(biāo)

檢測評價指標(biāo)指在專家進(jìn)行打分前需要先通過測試,確定某一實際組網(wǎng)性能的有效性指標(biāo)達(dá)到一定指標(biāo)要求后,而后再進(jìn)行專家打分;否則,組網(wǎng)不合格。

定義二:非檢測評價指標(biāo)

非檢測評價指標(biāo)表示檢測指標(biāo)級別不非常明確或不需檢測,直接進(jìn)行打分的網(wǎng)性能有效性研究的那類指標(biāo)。

定義三:決策因子α

決策因子表示檢測評價指標(biāo)對于是否選用該組網(wǎng)方案的影響力。

決策因子α的取值如下:

當(dāng)α=0時,直接結(jié)束組網(wǎng)性能有效性的研究。只有α≠0時才繼續(xù)進(jìn)行組網(wǎng)性能有效性的評價。

（2）第k名專家針對準(zhǔn)則層bn下的指標(biāo)Ci與Cj進(jìn)行組網(wǎng)有效性的評估,依次得到CDL組網(wǎng)有效性評價矩陣=（）n其中{（）nai,j=1,2,…,9;i,j=1,2,…,16;n=1,2,…,5;k=1,2,…,N},ai,j的取值服從Saaty提出的打分標(biāo)準(zhǔn)[9],如表3所示,這里是16×16階的正互反矩陣。

表3 評價尺度 ai,j的含義Table 3 Evaluation scale ai,j

表4 RI的數(shù)值表Table 4 RI numerical tables

（3）再進(jìn)行準(zhǔn)則層和目標(biāo)層有效性分析,同理通過一致性檢驗后可得到權(quán)向量

5 數(shù)值結(jié)果與分析

為完成CDL組網(wǎng)有效性的建模與評估,首先對指標(biāo)項進(jìn)行檢測,當(dāng)α≠0時,10名專家進(jìn)行體系指標(biāo)的打分。為減少運算量,將其中通過一致性檢驗且CI較小的5組數(shù)據(jù)作為CDL組網(wǎng)有效性的檢測值,其權(quán)重Wkj,n（2）的值如矩陣,AHP模型的輸出的權(quán)值圖形如圖3所示,經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后的輸出結(jié)果的分布如圖4所示。

圖3 AHP的輸出權(quán)值圖形Fig.3 AHP output weights graphics

圖4 學(xué)習(xí)后的輸出結(jié)果分布圖Fig.4 Output results of the distribution

從圖4中可以看出,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能綜合了多位專家的評估,使CDL組網(wǎng)有效性指標(biāo)的權(quán)重考慮得更加全面,但由于學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)量較少,有必要進(jìn)一步做歸一化處理。歸一化的結(jié)果如圖5所示,最終CDL組網(wǎng)有效性指標(biāo)Ci（i=1,2,…,16）的權(quán)重值及其置信度如表5所示。

W j,n,5（2）=0.1290 0.1285 0.1333 0.1303 0.1297 0.1141 0.1062 0.1027 0.1096 0.1121 0.0514 0.0601 0.0633 0.0579 0.0567 0.0720 0.0743 0.0691 0.0707 0.0712 0.0460 0.0443 0.0465 0.0445 0.0453 0.0418 0.0429 0.0433 0.0426 0.0437 0.1034 0.1013 0.1004 0.1024 0.1022 0.0734 0.0746 0.0698 0.0707 0.0716 0.0625 0.0633 0.0659 0.0645 0.0643 0.0342 0.0338 0.0355 0.0347 0.0332 0.0534 0.0533 0.0521 0.0542 0.0531 0.0267 0.0236 0.0249 0.0251 0.0234 0.0534 0.0533 0.0521 0.0542 0.0531 0.0453 0.0485 0.0473 0.0468 0.0476 0.040 0.0387 0.0412 0.0376 0.0397 0.0534 0.0533 0.0526 0.0542 0.0531

圖5 NFE-AHP模型的輸出分布圖Fig.5 NFE AHP model output distribution

表5 NFE-AHP模型輸出指標(biāo) Ci的權(quán)重值Table 5 Index weights of NFE-AHP model outputs Ci

由表5可知:CDL組網(wǎng)有效性的抗干擾度、魯棒性、兼容能力對于CDL組網(wǎng)至關(guān)重要,CDL組網(wǎng)有效性的網(wǎng)絡(luò)帶寬、鏈路利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、節(jié)點交換度和工作頻段數(shù)對于軍事意義上的應(yīng)用考慮得較少。

通過圖3和圖5比較可知,對于通用數(shù)據(jù)鏈的組網(wǎng)有效性評估,NFE-AHP模型比直接使用AHP考慮得更加全面,通過模糊和歸一化處理,最終結(jié)果更加有利于工程實踐。

6 結(jié)論與展望

本文將AHP模型和NFE模型有機結(jié)合起來,應(yīng)用于CDL組網(wǎng)有效性的建模分析中,建立了CDL組網(wǎng)有效性指標(biāo),仿真驗證了模型的有效性和可行性。NFE-AHP模型對于多因素、多標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜系統(tǒng)有效性定量研究具有良好的延拓性,AHP模型和NFE模型的有機結(jié)合,發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能,更加增強了有效性研究的客觀性。

CDL組網(wǎng)研究是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其有效性的研究有必要模式化,因此評估方法的軟件化將是下一步的主要工作。

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Modeling on Evaluation for CDL Network Validity

LI Si-jia1,MAO Yu-quan1,2,LI Bo1,2,ZHAO Qi1
（1.Telecommunications Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China;2.Air&Space Information Research Center,Air Force Engineering University,Xi′an 710051,China）

According to the current development needs for the multiple information network and in consideration of the characters of the CDL（Common Data Link）network,such as stronger anti-jamming and higher security,the NFE-AHP model for the CDL network validity is proposed based on the NFE&AHP model.The application of NFE-AHP model in the CDL network validity is proved by simulation.The result show that the antijamming ablility,robustness and compatability are important for evaluating the CDL network validity.The research has significance in engineering-oriented application of evaluation for the CDL network validity.

common data link（CDL）network;analytic hierarchy process（AHP）;neural network（NN）;fuzzy reasoning（FR）;expert system（ES）

The National Natural Science Foundation of China（No.60671001,60972042）;The Natural Science Foundation of Shaanxi Province（SJ10-ZT06）;The Scientific Research Innovation Fund of Telecommunications Engineering Institute of Air Force Engineering University（DYCX1040,DYCX1007）

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.005

1001-893X（2011）02-0021-06

2010-10-27;

2010-12-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（60671001,60972042）;陜西省自然科學(xué)基金資助項目（SJ10-ZT06）;空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院科研創(chuàng)新基金資助項目（DYCX1040,DYCX1007）

李思佳（1987-）,男,陜西西安人,2009年獲廣西大學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為綜合數(shù)據(jù)鏈及其信息融合;

LI Si-jia was born in Xi′an,Shaanxi Province,in 1987.He

the B.S.degree in Computer&Electronic College from Guangxi University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns TADIL and information fusion technology.

Email:lsj051@126.com

毛玉泉（1961-）,男,陜西西安人,1983年獲西安電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位,1990年獲國防科技大學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向包括戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、綜合數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)鏈信息融合;

MAO Yu-quanwasborn in Xi′an,Shaanxi Province,in 1961.He received the B.S.degree from Xidian University in 1983 and the M.S.degree from National University of Defense Technology in 1990,respectively.He is now a professor.H is research direction is TADIL,CDL and information fusion technology.

李 波（1974-）,男,山東青島人,2007年獲國防科技大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向為信道編碼、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈;

LI Bo was born in Qingdao,Shandong Province,in 1974.He received the Ph.D.degree from National University of Defense Technology in 2007.He is now an associate professor.His research direction is channel code and TADIL.

趙 琪（1985-）,男,河北衡水人,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為航空數(shù)據(jù)鏈。

ZHAO Qi was born in Hengshui,Hebei Province,in 1985.He is now a graduate student.His research direction is TADIL technology.